一种洞穴注浆施工处理方法

技术领域

本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种洞穴注浆施工处理方法。

背景技术

在我国，岩溶给包括高速铁路在内的各类工程建筑造成危害最突出的问题就是在地下水作用下产生岩溶塌陷或不均匀沉陷，岩溶路基的病害可分为两大类：一类是变形问题，另一类是水害问题。尤其是大型铁路站房，其设计使用年限为100年，地基设计标准高，对沉降要求严格。因此，对岩溶发育区域的地基需要进行加固处理。

发明内容

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种洞穴注浆施工处理方法，旨在加固地基。

一实施例提供一种洞穴注浆施工处理方法，包括：

对地基区域进行勘察，得到地基区域下方洞穴的位置、尺寸、数量和类型；按洞穴的尺寸和类型将洞穴分为第一洞穴和第二洞穴；

钻机钻出连通第一洞穴的注浆孔、连通第二洞穴的注浆孔；

通过对应的注浆孔向所述第一洞穴注入水泥浆；其中，注入水泥浆时，注浆压力从预设的第一初始压力开始逐级增大，直到达到预设的第一注浆终压，多次压浆；

通过对应的注浆孔向所述第二洞穴注入水泥砂浆；其中，注入水泥砂浆时，注浆压力从预设的第二初始压力开始逐级增大，直到达到预设的第二注浆终压；第二初始压力大于第一初始压力，第二注浆终压大于第一注浆终压；

在注浆孔的注浆达到预设条件后，结束该注浆孔的注浆。

一实施例提供的所述方法中，所述第一注浆终压为1.0～1.2MPa中的一个，注入水泥浆期间，注浆压力的变化范围为0.4～1.2MPa；所述第二注浆终压为7.0～8.0MPa中的一个，注入水泥砂浆期间，注浆压力的变化范围为4.0～10.0MPa。

一实施例提供的所述方法中，所述按洞穴的尺寸和类型将洞穴分为第一洞穴和第二洞穴，包括：

将全充填洞穴确定为第一洞穴；和/或，

将洞径在2.0-4.0米之间的半充填或无充填洞穴确定为第一洞穴；和/或，

将洞径≥4.0米的串珠状洞穴确定为第一洞穴；和/或，

将洞径≥4.0米的半充填或无充填洞穴确定为第二洞穴。

一实施例提供的所述方法中，所述水泥浆由：42.5级普通硅酸盐水泥与水，采用1：1的质量比配制而成；所述水泥砂浆采用标号在M10-M20之间的素水泥砂浆。

一实施例提供的所述方法中，所述钻机钻出连通第一洞穴的注浆孔、连通第二洞穴的注浆孔，包括：

按预设的设计要求，标定第一洞穴和第二洞穴对应的钻孔的位置；

移动钻机至标定的钻孔位置，钻机就位后，调整钻机角度，使钻机呈垂直状；

成孔采取全孔取芯的地质钻探方法，开孔孔径≮110mm，终孔孔径≮91mm；钻孔过程中填写钻探记录，记录该孔在钻进过程中有无翻水、漏水，土层分界，并对岩芯按回次顺序摆放整齐。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

钻孔结束后，在钻孔内下入导管到孔底并通入水，通过水流从孔底向外进行冲洗，直至回清水5-10min为止；其中冲洗压力为注浆压力的80％。

一实施例提供的所述方法中，所述预设条件包括如下三种中的至少一种：

注浆孔口压力基本维持在1.0MPa、稳压10min；

冒浆点已出注浆范围外3-5m；

单孔注浆量达到平均注浆量的1.5-2.0倍，且进浆量减少。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

选取多个注浆孔，在注浆之前和注浆之后对选取的注浆孔进行压水试验，得到单位长度吸水量；与注浆之前的单位长度吸水量相比，若注浆之后的单位长度吸水量降低幅度达到95％～99％，则确定注浆效果明显。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

注浆完成后在预估注浆扩散范围内钻孔验证注浆扩散范围，在洞穴内采用标贯法测定，标贯值达到10击为合格。

一实施例提供的所述方法中，包括：

在由下注到上部时，若注浆压力没有变化或由大变小，注浆预设时长后压力没有达到预设压力，且注浆量超过预设注浆量的幅度超过预设阈值，则判断洞穴为开放性洞穴；

重新对开放性洞穴的边界进行探测，确定其边界后，在边界周边采用双液浆注一道止水帷幕，止水帷幕采用间歇、分次压浆，间歇时间6～10小时，分1～4次压浆。

本发明实施例提供的洞穴注浆施工处理方法，根据洞穴尺寸和类型的不同而采用不同方式进行注浆。具体的，通过对应的注浆孔向所述第一洞穴注入水泥浆；其中，注入水泥浆时，注浆压力从预设的第一初始压力开始逐级增大，直到达到预设的第一注浆终压，多次压浆；通过对应的注浆孔向所述第二洞穴注入水泥砂浆；其中，注入水泥砂浆时，注浆压力从预设的第二初始压力开始逐级增大，直到达到预设的第二注浆终压；第二初始压力大于第一初始压力，第二注浆终压大于第一注浆终压。在注浆孔的注浆达到预设条件后，结束该注浆孔的注浆。对洞穴进行注浆处理有效的加固了地基。针对不同尺寸和类型的洞穴采用不同的方式注浆，注浆效果好。

附图说明

图1为本发明提供的洞穴注浆施工处理方法一实施例的流程图；

图2为本发明提供的洞穴注浆施工处理方法的详细流程示意图；

图3为步骤2的具体流程图；

图4为岩溶注浆剖面效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的洞穴注浆施工处理方法，适用于岩溶发育区域需进行地基加固处理的铁路、公路、房屋建筑等工程；适用于地下水波动较大，对地基工后沉降控制严格的工程。该方法主要通过对岩溶地基进行钻孔注浆，以填充洞穴(如土洞、溶洞和溶蚀裂隙)；封闭土、石界面，形成隔水帷幕，阻隔上层滞水与岩溶水的联系，防止地基塌陷。下面通过一些实施例进行详细阐述。

如图1和图2所示，本发明提供的洞穴注浆施工处理方法(施工工艺)，包括如下步骤：

步骤1、施工准备步骤，包括：施工前向有关部门收集和调查地下设施、地下管线的具体位置；机电设备固定就位，电动部分设置网罩，电箱电线应悬挂；对地基区域进行勘察，得到地基区域下方洞穴的位置、尺寸、数量和类型；按洞穴的尺寸和类型将洞穴分为第一洞穴和第二洞穴。其中，洞穴包括土洞、溶洞、溶沟、溶槽、和溶蚀裂隙中的至少一种，本实施例以溶洞为例进行说明。

在地基区域的多个点位钻孔，得到打孔数据。钻孔后，根据钻孔取出的岩石、土层等，能发现钻孔处是否有土洞、溶洞、沟槽、裂隙、及地层分布等各类信息。同样采用钻孔来确定洞穴范围的边界，并对边界进行划线，圈出洞穴范围，结合钻孔取土的数据，得到地基区域下方洞穴的位置、尺寸、数量和类型。

根据上述勘察结果，分析溶(土)洞、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙等平面和竖向分布特征，根据洞体大小、溶洞填充物特征及水文地质条件，确定岩溶处理方法。对于大型洞体及中等洞体，主要采用灌注水泥砂浆方式进行处理。对于溶沟、溶槽、岩溶坍塌区及受岩溶影响的地基均匀性突变区，主要采用固结或加固方式建造均匀地基，防止施工设备产生“栽头”、“陷落”、“倾倒”等事故；对于小型洞体及可能产生突涌的节理、溶蚀裂隙，主要采用单液浆袖阀管注浆处理。施工时当基坑出现涌、突水时采用将基坑分块进行系统加固处理。

根据详勘钻孔及超前钻钻孔揭露岩溶发育情况，结合工程结构特点，综合分析选取较适宜的岩溶地基处理方法。例如，可基本按如下原则进行洞穴划分：

(1)将全充填洞穴确定为第一洞穴。

(2)将洞径在2.0-4.0米之间的半充填或无充填洞穴确定为第一洞穴。

(3)将洞径≥4.0米的串珠状洞穴确定为第一洞穴。

对于第一洞穴，后续可采用袖阀管注浆，注浆材料采用单液水泥浆。

(4)将洞径≥4.0米的半充填或无充填洞穴确定为第二洞穴。对于第二洞穴，后续可采用充填法，即钻孔作为投料孔注水泥砂浆进行填充，填充材料为低标号水泥砂浆(M10-M20)。

步骤2、钻孔步骤，包括：钻机钻出连通第一洞穴的注浆孔、连通第二洞穴的注浆孔。其包括放样孔位、安装钻机、开孔、下套管固结、钻进、终孔/压水实验、质量检查等工序。具体的，如图3所示，包括如下步骤：

步骤21、孔位放样：按预设的设计要求，标定第一洞穴和第二洞穴对应的钻孔的位置。步骤1中的钻孔是为了勘探洞穴，步骤2的钻孔则是钻取注浆孔。施工现场通过测量复核场地平整标高，孔位放样采用控制桩引测出具体孔位的办法，保证孔位放样的偏差小于50cm，即第一洞穴和第二洞穴对应的钻孔的位置偏差小于50cm。

步骤22、注浆孔位标定后，移动钻机至标定的钻孔位置，钻机就位后，用倾斜尺、水平尺等工具调整钻机角度，使钻机呈垂直状，安装牢固，定位稳妥。

步骤23、钻机安装后，立轴中心、孔口管中心、孔位中心三心一致，方位与设计一致。钻进使用长粗径，孔深时宜使用代导器的粗径。钻机需安装牢固，定位稳妥、固定。其中，钻杆垂直度偏差不大于1％后才开钻，孔位偏差不大于0.5m，确保成孔质量。各类设备应就近安装固定管线，不宜过长，以防压力和流量消耗。

成孔采取全孔取芯的地质钻探方法，开孔孔径≮110mm(即开孔孔径大于或等于110mm)，终孔孔径≮91mm(即终孔孔径大于或等于91mm)。地表有覆土时，为防止孔口坍塌或缩孔，可下置孔口管或采用跟管钻进。钻孔过程中填写钻探记录，记录该孔在钻进过程中有无翻水、漏水，土层分界，并对岩芯按回次顺序摆放整齐，同时注意保护岩芯至注浆完成。

监测孔斜，在孔斜超出预设的规定要求时，结合该部位注浆资料和质量检查情况进行全面分析，如确定对注浆质量确存影响时，采取补救措施，如对孔进行封堵，重新钻孔等。孔位偏差不宜超过50cm。

钻孔遇坍塌掉块、空洞裂隙、漏失地层难以钻进时，确定部位查清原因，可先进行注浆处理，而后进行钻进，也可采用自上而下的注浆成孔方式。

成孔之后等待灌浆，孔口应封堵加盖，妥善保护。

步骤24、钻孔结束后，在钻孔内下入注浆管到孔底，连接注浆机，泵压清水进行清孔，通过水流从孔底向外进行冲洗，直至回清水5-10min为止。注浆管的管径可在50mm～130mm之间选取，基于设计要求和实际情况，采取这个管径范围的管径来注浆，在有效控制注浆压力及浆液配比的情况下，可对注浆效果进行控制，这类管材也便于采购。其中，孔底沉积物不得超过20cm，可通过测绳测量值与钻孔记录深度的差值得到孔底沉积物厚度，若孔底沉积物厚度超过20cm，则继续用清水冲洗，直到孔底沉积物厚度不超过20cm；冲洗压力为注浆终压的80％。冲洗结束后，即可进行注浆。

通过步骤2，钻取得到各个洞穴如溶洞的注浆孔。在注浆之前，进行压水试验，调整材料配比和注浆压力等工艺技术参数。压水试验钻孔检测完成后仍要进行注浆。具体的，选取多个注浆孔，在注浆之前对选取的注浆孔进行压水试验，得到单位长度吸水量。单位长度吸水量是指在0.01MPa(或1m水柱)压力下，单位长度(1m)试段在单位时间内的吸水量(L/min)。

步骤3、注浆步骤，包括：在注浆孔中插入注浆管，并及时封堵孔口(封堵注浆孔与注浆管之间的间隙)及附近的地面裂缝以防冒浆。若在上述步骤24中已完成这些工作，则直接注浆即可。通过对应的注浆孔中的注浆管向第一洞穴注入水泥浆，注浆流速可控制在30～75L/min。通过对应的注浆孔中的注浆管向第二洞穴注入水泥砂浆，注浆流速可根据现场实际情况确定，避免注浆过程中堵管。

岩溶地区的注浆顺序直接影响溶(土)洞和岩溶裂隙的灌注密实度和注浆的浆液流失，注浆顺序宜按下列流程：

1)溶(土)洞处理的施工顺序应遵循：探边界----注浆充填----注浆效果检测。

2)应遵循分序隔注，即遵循根据溶洞尺寸不同采取不同的注浆顺序的方式，小洞先外后内：即小洞也打多个注浆孔，先用靠近边界的注浆孔注浆，再用靠近洞穴中央的注浆孔注浆；大洞先内后外先大后小，先下后上：即注浆管插入大溶洞(大溶洞、小溶洞是相对概念)底部，注浆浆液从溶洞底部开始充填逐渐往上将大溶洞充填满；注浆压力先小后大。若在周边孔注第一次浆时，注浆量已较多，压力达不到设计要求时，可采取隔一跳一方式注浆，之后再返回对第一次未注浆的孔进行注浆。

由于单位注浆量与注浆孔距、注浆压力、浆液浓度以及岩溶的发育程度密切相关，故本实施例中，注浆施工前进行现场注浆试验，合理选择注浆工艺，合理确定注浆压力、浆液配比、单位注浆量等相关参数，确定停止注浆的条件等。下面进行详细说明。

具体的，采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥与水的质量比为1：1进行水泥浆的配制。水泥砂浆则采用标号在M10-M20之间的素水泥砂浆。注浆用的浆液应经过搅拌机充分搅拌均匀后才能开始注浆，并应在注浆过程中不停地缓慢搅拌，搅拌时间应小于浆液初凝时间。浆液在泵送前应经过筛网过滤。由实验人员负责现场监督浆液的拌合并进行抽样检测，以保证浆液的拌制质量。不得将盛浆桶和注浆管路暴露于阳光下，以防浆液凝固。换而言之，对盛浆桶和注浆管路进行遮阳。

本发明采用水泥浆和水泥砂浆，浆液以水泥和沙为主，料源广阔。在地下水流速快或含有腐蚀性元素、土的含水量大或固结体强度要求高的情况下，则可在水泥中掺入适量的外加剂，以达到速凝、高强度、抗冻、耐蚀和浆液不沉淀等效果。

注入水泥浆时，注浆压力从预设的第一初始压力开始逐级增大，直到达到预设的第一注浆终压，多次压浆。换而言之，注浆压力按初始小压力、终压大压力原则进行，即压力宜分级间隔逐步提高，第一次相对小压力，注浆多次进行逐步加强。注浆控制压力一般0.4～1.2MPa，即注入水泥浆期间，注浆压力的变化范围为0.4～1.2MPa；压浆3～4次。第一注浆终压一般控制在1.0-1.2MPa。可见，本发明根据地质情况不同，采取分级加压，能调整适合本孔注浆的压力，确保注浆的效果和安全性。

注入水泥砂浆时，注浆压力从预设的第二初始压力开始逐级增大，直到达到预设的第二注浆终压。换而言之，注浆压力按初始小压力、终压大压力原则进行，即压力宜分级间隔逐步提高，第一次相对小压力，注浆多次进行逐步加强。注浆压力一般控制在4.0-10.0MPa，即注入水泥砂浆期间，注浆压力的变化范围为4.0～10.0MPa。第二注浆终压一般控制在7.0-8.0MPa。可见，第二初始压力明显大于第一初始压力，第二注浆终压明显大于第一注浆终压。同样的，采取分级加压，能调整适合本孔注浆的压力，确保注浆的效果和安全性。

注浆施工时，采用自动流量和压力记录表，并及时对流量和压力数据进行整理分析。注浆过程中尽可能控制流量和压力，防止浆液流失。开启或关闭注浆泵时必须先开启或关闭化学注浆泵，以免堵塞管路。

注浆全过程做好技术资料和基础数据记录、整理、分析工作。注浆过程加强地面观测记录(水平位移、冒浆点的位置、地面沉陷等)。注浆过程注意环境保护，及时清理浆液污染物。一般整理好场坪后，在注浆场坪四周修好临时排水设施。岩溶注浆施工区域，除应加强地面观测外，还加强地表变形监测，施工期间每天进行地表变形监测，实测地表变形量，测量精度不大于1mm，并做好详细记录，根据观测数据控制注浆压力，以免影响堑坡的稳定或附近构筑物的安全。

步骤4、判断注浆孔的注浆是否达到预设条件，若是则结束该注浆孔的注浆。预设条件可包括如下三种中的至少一种：

注浆孔口压力基本维持在1.0MPa、稳压10min；

冒浆点已出注浆范围外3-5m；

单孔注浆量达到平均注浆量的1.5-2.0倍，且进浆量明显减少，如现场技术人员观察进浆量前后的明显变化得出需要结束该注浆孔的注浆的结论。

若注浆孔的注浆没有达到预设条件，则清孔再次注浆。具体的，注浆持续进行预设时间，期间未达到上述结束标准，则清孔再次注浆，预设时间可根据需要设置，如半个小时。

在岩溶注浆施工中，针对出现注浆孔始终达不到注浆结束条件时，通过分析形成的原因，采用如下措施：

(1)成孔过程中遇到大溶洞发生塌孔：

1)如果在施工中遇到大溶洞后，如果塌孔不严重，则回填片石+粘土块混合料。

2)如有整个孔坍塌，待坍塌稳定后，用粘土回填孔内至地表，压实后进行溶洞预处理，处理方法与溶洞处理方法相同。溶洞预处理完后，再重新进行造孔，即对该洞穴重新开始洞穴注浆施工处理。

(2)溶、土洞注浆时严重跑浆：

在由洞穴的下部注浆到上部时，若注浆压力没有变化或由大变小，注浆预设时长后压力没有达到预设压力(如注浆一段时间后压力上不来)，且注浆量超过预设注浆量的幅度超过预设阈值(注浆量远远大于预估的计算量)，则判断洞穴为开放性洞穴。进而重新对开放性洞穴的边界进行探测，确定其边界后，在边界周边采用双液浆注一道止水帷幕，止水帷幕采用间歇、分次压浆，间歇时间6～10小时，分1～4次压浆。其中，双液浆可以由水泥浆和水玻璃浆液混合而成，两者的质量比介于1：0.5至1：1之间。施工止水帷幕后，再进行由外向内进行跳孔注浆。

(3)现场实施过程中如有因大溶洞出现大面积塌方时，或在实施前已探明有大溶洞或预计可能出现大面积塌方时，施工单位应迅速与有关部门联系，现场采用其相应对策进行补救。

在注浆之后对之前选取的注浆孔进行压水试验，得到单位长度吸水量。与注浆之前的单位长度吸水量相比，若注浆之后的单位长度吸水量降低幅度达到95％～99％(注浆前后单位长度吸水量相差悬殊)，则确定注浆效果明显；反之则注浆效果不明显，若不明显则重新洗孔注浆。采用压水试验进行注浆效果检查，根据质量检验结果，结合施工过程资料，对注浆效果作出评价。

注浆完成后在预估注浆扩散范围内钻孔验证注浆扩散范围，在洞穴内采用标贯法测定，标贯值达到10击为合格。

可见，本发明采用岩溶注浆进行地基加固处理。岩溶注浆处理后能有效减小桩基在施工时产生坍塌的风险；预防土洞在地下水作用下迅速发展的风险，减小后期运营的风险；预防未查明的洞穴、岩溶通道在基坑开挖时突、涌水对基坑周边建、构筑物的破坏，提高砂土地基抗岩溶局部坍塌的能力，提高车站结构的安全性。

本发明提供的上述施工工艺，主要通过对岩溶地基进行钻孔注浆，以填充土洞、溶洞和溶蚀裂隙；封闭土、石界面，形成隔水帷幕，阻隔上层滞水与岩溶水的联系，防止地基塌陷。

注浆时，水泥浆或砂浆在压力条件下进入溶洞，达到浆液在溶洞中均匀扩散，将溶洞的填充物胶结为一个整体，减小地面沉降、塌陷等风险，确保施工安全；同时提高地基承载力，提高车站结构的安全性，确保后期运营安全。

岩溶注浆应用于适用于岩溶发育区域需进行地基加固处理的铁路、公路及房屋建筑等工程；对于地表水与地下水连通密切、地基稳定性差等地质情况应用效果显著。

本发明的施工工艺与其他地质处理方法相比，工艺更为简便，操作难度更小，施工更快，所须的作业设备灵活。具体如下：

(1)本工法对发现的溶洞进行注浆处理，对于注水泥浆，一个后台可接多根注浆管，多个注浆孔同时注浆，施工效率高，节省人工成本。

(2)本工法在桩基施工前进行溶洞注浆施工，将溶洞填充密实，减小地面沉降、塌陷等风险，确保施工安全；同时提高地基承载力，提高车站结构的安全性，确保铁路车站运营安全，形成良好的社会效益。

从现场实践来看，该工法灵活、机动，施工机械简单，可大量机械同时进行，在一定工期、一定数量的机械设备情况下，该工法具有较大的优势，并且施工中机械型号单一，施工质量容易得到保证。通过现场实践，注浆效果完全能够达到要求，并对地基加固及工后沉降控制起到了较好的效果，具有较好的社会效益、经济效益及推广价值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。